Nu există funcție fără anatomie Matei 22:21. Camillo Golgi, Premiul Nobel pentru Medicină în 1906, a scris acest lucru la sfârșitul secolului al XIX-lea despre studiile sale asupra celulelor nervoase centrale și periferice. Cu alte cuvinte, funcția remodelează forma celulelor și, prin urmare, observațiile microscopice devin esențiale pentru înțelegerea mecanismelor sale fiziologice.
Nu întâmplător prima persoană care a înțeles că nervii sunt formați dintr-un set de cabluri și nu reprezintă un fel de canal cu o substanță moale în interior, ca în cazul vaselor de sânge, a fost Anton Van Leeuwenhoek în 1715.
Leeuwenhoek și microscopul
leeuwenhoek, optician și naturalist olandez, este recunoscut drept inventatorul microscopului optic; prin urmare, cel care a observat primul, acut și precis, unele fenomene naturale precum circulația globulelor roșii în capilare, existența celulelor germinale masculine, prima identificare exactă a structura lamelară a cristalinului, descoperirea protozoarelor și a bacteriilor numite „animale mici”. Evident, nu a fost doar disponibilitatea celor mai bune lentile optice ale vremii, pe care și le-a construit el însuși.
Așa a scris Leeuwenhoek într-o scrisoare către Societatea Regală din Londra în 1692, răspunzând criticilor unora dintre contemporanii săi:
Știu foarte bine, Onorabili Domni, că rapoartele pe care le scriu și vă trimit din când în când nu sunt întotdeauna de acord între ele și că în ele se găsesc contradicții; prin care vreau să spun încă o dată că obișnuiesc să mă țin de datele pe care le am până sunt mai bine informat sau până când observațiile mele mă duc în altă parte; și nu îmi va fi niciodată rușine să-mi schimb metoda.
Astfel s-a născut microscopia modernă, adică studiul naturii în cantități mici, care constituie și astăzi unul dintre principalele mijloace de investigare a cercetării științifice moderne. Dar pentru a înțelege mai bine nașterea și evoluția acestei științe, trebuie să ne referim la numeroasele intuiții și descoperiri care încă de la primele încercări din Antichitate au modelat dezvoltarea acestei discipline la observațiile uluitoare ale științei moderne.
Lumină în tradiția elenă și islamică
Deși microscopul este o invenție relativ recentă, studiul fenomenelor luminoase a interesat multe dintre marile minți ale Antichității și a dat naștere la dezbateri între diferite școli de gândire; O datorăm deja unor mari gânditori precum Aristotel, sau Euclid, care au trăit între secolele IV și III î.Hr., a căror prima formalizare avem dovezi scrise despre conceptul de viziune și raze de lumină. Deja în secolul al III-lea î.Hr. C. utilizarea celebrelor oglinzi aprinse ale lui Arhimede a devenit faimoasă în timpul celui de-al doilea război punic, deși nu a fost încă dovedită istoric.
Roma
Cele mai documentate exemple în acest sens sunt cele care venit din lumea romana. De altfel, folosirea pe care vechii romani o făceau din sfere de sticlă mai mult sau mai puțin turtite pentru a concentra razele soarelui și a obține focul este de multă vreme acreditată pe scară largă. Tehnologia lentilelor pare să fie chiar mai veche decât civilizația romană, după cum o demonstrează descoperirile de la Knossos, care datează din epoca bronzului, o perioadă cuprinsă între 3500 și 1200 î.Hr. c.
Pompei
Pe lângă prismele de cristal de o precizie și o regularitate extraordinare (folosite pentru a sparge lumina în culorile spectrului), ele provin și din săpăturile din Pompei antice vase mici rotunde, ușor convexe, capabile să ofere o imagine clară și mărită. Din păcate, aproape nu există surse literare care să vorbească despre aceste obiecte ca instrumente de viziune. A fost transmisă de Pliniu cel Bătrân când împăratul Nero, poate miop, obișnuia să privească luptele de gladiatori privindu-le printr-un mare smarald lustruit.
Otica si Catoptrica
Revenind la Euclid, observăm că el a fost autorul celebrelor cinci postulate ale geometriei care conţin conceptele de punct, linie şi plan; Aceste concepte fundamentale s-au reunit în lucrarea Ottica e Catoptrica unde sunt cuprinse elemente de perspectivă, studiul reflexiei în oglinzi plane și sferice și, pentru prima dată, este definit conceptul de rază vizuală fără structură fizică. Acest lucru îi permite lui Euclid să extindă metoda tipică a demonstrațiilor geometrice în domeniul fenomenelor luminoase.
Natura acestor axiome este însă puternic condiționată de ideea că vederea are loc prin razele emise de ochi: teoria extromizivă a luminii. Pentru a ajunge la o teorie a vederii mai avansată, a fost necesar să așteptăm până în secolul al X-lea, cu teoriile arabului Alhazen (965-1039). Potrivit lui Alhazen, ochiul nu poate „simți” obiectul decât prin intermediul razelor care te trimite cu o viteza finita; lumina trebuie sa aiba o existenta reala deoarece atunci cand este foarte intensa poate deteriora ochii si genera imagini secundare.
Invenția microscopului
Va fi necesar să așteptăm până în epoca barocului pentru a vedea nașterea adevăratului microscop precursor al celor moderni. Secolul al XVII-lea este o perioadă fructuoasă în multe țări pentru știință în general, de fapt trebuie spus că a cunoscut o adevărată revoluție științifică cu Bacon, Boyle, Copernic, Leibniz și mulți alții. Cu toate acestea, trebuie spus că în istoria microscopiei nu există o dată restante comparabilă cu 1609, anul în care Galileo Galilei (1564-1642) a fost realizată cu un telescop rudimentar.
fabrici de pânze și microscoape
Mai mult, nu întâmplător Țările de Jos a fost leagănul unui instrument precum microscopul, întrucât în secolul al XVII-lea această țară reprezenta o răscruce comercială importantă pentru sectorul textil și, în același timp, pentru producția de ceramică și majolice. . Din aceste ultime ateliere, poate ca produs secundar al procesului de fabricație, după toate probabilitățile au venit picăturile de sticlă topită care producătorii de țesături au folosit ca lupe mici pentru a controla mai bine textura in timpul fazei de productie. Aceasta a fost prima utilizare pe care Antoni Van Leeuwenhoek (1632-1723), inițial un director de magazin de țesături, făcut din margele de sticlă solidificate; mai târziu, probabil ca urmare a interesului său pentru științele naturii către care era înclinat în mod natural.
Prin urmare, cel al lui Van Leeuwenhoek poate fi considerat primul microscop, deoarece acesta a fost special conceput și optimizat pentru utilizare în scopuri de cercetare științifică. Deloc surprinzător, el a fost citat la acea vreme drept strălucit cercetător care
[…] a conceput microscoape care le depășesc cu mult pe cele văzute până acum…
De fapt, microscopul lui Leeuwenhoek constă dintr-o singură lentilă montată pe un suport metalic echipat cu un suport special pentru mostre cu focalizare reglabilă prin intermediul unui mecanism cu șuruburi și prevede utilizarea luminii artificiale. Aceste elemente, pe lângă faptul că constituie, din acel moment, fundamentele oricărui microscop optic, presupun o metodologie pentru studiul fenomenelor naturale cu o aromă deja modernă.
Natura Arcana
Leeuwenhoek a fost acoperit de recunoaștere oficială, laboratorul său a fost vizitat de academicieni și personalități politice din întreaga lume (celebra vizită a țarului Petru cel Mare al Rusiei). Leeuwenhoek a murit la vârsta de 91 de ani, la 26 august 1723, după ce a văzut ediţia latină a colecţiei complete a numeroaselor sale scrisori şi rapoarte, publicată în 1722 sub titlul de „Arcana Naturae”.
Eforturile cercetătorilor din secolele următoare vor fi dedicate în întregime construirii de microscoape mai puternice și sistematizării, clasificării și cuantificării microlumilor nou descoperite. În acest sens, este fundamentală contribuția englezului Robert Hooke (1635-1703), amintită mai mult pentru studiile sale despre elasticitate decât pentru cele ale microscopiei optice. Hooke, un savant complet, a adus îmbunătățiri microscopului, dotându-l cu noi sisteme optice și un nou sistem de iluminare. Acest lucru i-a permis să facă o serie de descoperiri, precum cavitățile din plută, separate prin pereți, pe care le-a numit celule. În controversă cu Isaac Newton, probabil cel mai mare om de știință al vremii, el a susținut ideea unei teorii ondulatorii a luminii spre deosebire de teoria corpusculară.
Evoluția microscopiei între secolele al XIX-lea și al XX-lea: de la microscopul optic la microscopul electronic
Îmbunătățirile introduse treptat în microscoapele compuse construite în secolul al XVIII-lea au vizat în esență structura mecanică. Deși s-au făcut unele progrese în tehnici de fabricare a lentilelor, performanța optică a fost încă slabă. Acest lucru s-a datorat atât calității sticlei, cât și a două defecte grave ale lentilelor: aberația sferică și aberația cromatică, care au dus la imagini neclare și irizate.
În plus, fiecare îmbunătățire a avut loc întotdeauna și numai pe o bază empirică și, prin urmare Erau produse lucrate manual.. Pentru a fi corectate, aceste aberații necesită cuplarea mai multor lentile și, prin urmare, abia la mijlocul secolului al XIX-lea au putut fi realizate astfel de sisteme.
Ernst Abbe
Din acel moment, studiile teoretice și progresul tehnologic au mers mână în mână. Cea mai reprezentativă figură a acestei perioade a fost germanul Ernst Abbe (1840-1905), care a transformat microscopul dintr-un instrument calitativ într-un instrument cantitativ; lui i se datorează multe dintre principiile pe care se bazează tehnologia modernă a opticii microscopului și a lentilelor în general; Abbe a colaborat cu Carl Zeiss (1816-1888) la celebrele ateliere de optică din Jena.
El a derivat expresia, care îi poartă numele (numărul Abbe), pentru a caracteriza puterea de dispersie a sticlei și a legat rezoluția unui obiectiv de microscop în funcție de deschiderea sa numerică. lui i se datorează multe dintre principiile pe care se bazează tehnologia modernă a opticii microscopului și a lentilelor în general. Abbe a colaborat cu Carl Zeiss (1816-1888) la celebrele ateliere de optică din Jena.
August Kohler
Din 1900, August Kohler (1866-1948) a lucrat și el la Jena, care s-a ocupat de microfotografie și a perfecționat un sistem de iluminare pentru microscoape, adoptat acum universal; La sfârșitul secolului al XIX-lea, pe piață existau deja instrumente excelente drepte și inversate.
În 1903 Richard Zsigmondy (1865-1929) a dezvoltat așa-numitul ultramicroscop, care permite studiul particulelor coloidale cu dimensiuni mai mici decât lungimea de undă a luminii; iar în deceniile care au urmat ritmul nu a încetinit: noi tehnici precum contrastul de fază, metodele de interferență și microscopia de reflexie Au deschis noi domenii de aplicare, în timp ce alte tehnici bine-cunoscute au fost perfecționate, cum ar fi fluorescența, interferența de contrast și polarizarea. radiatii.
microscopia electronică
Deja în anii 30, odată cu definirea particulelor elementare precum electronul și introducerea dualismului undă/particulă pentru a explica comportamentul acestora, vremurile erau coapte deoarece limitele rezoluției spațiale a microscoapelor optice, impuse de lungimea de undă a luminii. , ar putea fi depășită în contextul unei perspective cu totul noi: microscopia electronică. Primul microscop electronic a fost construit în 1933 de către fizicienii germani Ernst Ruska (1906-1988) și Max Knoll (1897-1969). Ruska însuși, mulți ani mai târziu, se va referi la acele vremuri drept o perioadă fructuoasă de studiu și cercetare:
După absolvirea sa (1931), situația economică din Germania devenise foarte grea și nu părea posibil să găsești o poziție satisfăcătoare la universitate sau în industrie. Prin urmare, am fost încântat să-mi pot continua activitatea gratuit ca doctorand la Institutul de Înaltă Tensiune…” .
Sfârșitul secolului al XX-lea și microscopia cu sondă de scanare
Încă sistematizarea progresivă a legilor mecanicii cuantice sugerează noi soluții pentru a investiga lumea microscopică în detaliu din ce în ce mai mare, mergând chiar atât de departe încât să dezvăluie natura sa intimă, adică molecule și atomi. Spre deosebire de ceea ce s-a întâmplat înainte, în anii 1980 s-au dezvoltat niște idei mărețe în contexte deja deschise intelectual și, ceea ce nu e deloc rău, dotate adecvat cu resurse umane, tehnologice și economice.
George Gamow
Din ideea lui George Gamow (descoperitorul așa-numitei radiații de fundal cosmice) a existenței efectului de tunel, formulată în 1928, doi fizicieni germani, Gerd Binnig (1947) și Heinrich Rohrer (1933-). 2013) a conceput în 1981, în timp ce lucra la laboratoarele de cercetare IBM din Zurich, primul microscop cu scanare tunel.
Acest microscop folosește o sondă cu ac fin pentru a detecta un curent electric slab între sondă și suprafața probei studiate, care poate fi investigat la o rezoluție teoretic mai mică decât dimensiunea atomilor și moleculelor. Această descoperire le-a adus descoperitorilor săi Premiul Nobel pentru Fizică în 1986. Este destul de remarcabil că premiul a fost acordat, destul de târziu, și lui Enrst Ruska. „Pentru munca sa fundamentală în optica electronică și pentru proiectarea primului microscop electronic”.
microscopie de scanare
În același context, dar pe baza forței electrice exercitate de atomii unei suprafețe pe o sondă mică plasată în apropiere, a fost inventat (1982) (cu colaborarea lui Binning însuși) Microscopul de forță atomică, a cărui creație se bazează pe contribuția comună. a altor savanți, printre care Calvin Quate (1923-2019) și Christoph Gerber (1942). Acest microscop a făcut posibilă extinderea aplicării microscopia cu sondă de scanare la o categorie largă de probe, inclusiv cele biologice.
Datorită gamei sale largi de variante și aplicații, această tehnică este astăzi, după toate probabilitățile, cea mai versatilă pentru studiul suprafețelor din domeniul nanotehnologiei. Astăzi, de fapt, microscopiile își propun să obțină informații din ce în ce mai complete despre natura suprafețelor iar microscoapele moderne integrează, în același instrument, tehnici diferite de adaptare la studiul probelor de natură diferită.
De la renașterea opticii la nanoscop
Dezvoltarea surselor laser care a avut loc în a doua jumătate a secolului al XX-lea a reprezentat o nouă dezvoltare a unui câmp optic mai clasic, de fapt se poate spune că a constituit cea mai importantă descoperire în optică după cea a razelor X. caracteristicile luminii laser (coerență extremă, intensitate mare și lungime de undă unică) permit evita fenomenele de aberatii si difractii caracteristică luminii produse de lămpile cu incandescență tradiționale.
În 1955, cu ocazia tezei de doctorat în matematică, Marvin Lee Minsky (1927-2016), unul dintre fondatorii inteligenței artificiale, a teoretizat despre microscopul confocal, un instrument optic cu rezoluție și calitate a imaginii fără precedent pentru epocă. După cum spune el însuși:
În 1956, mi-am brevetat microscopul confocal, dar brevetul a expirat înainte ca cineva să construiască al doilea. Nici măcar nu ne-am obosit să brevetăm ecranul sau sigla, crezând că sunt invenții absolut evidente. Se pare că evidentul nu este relevant pentru brevet.
microscop confocal
Un microscop confocal diferă structural de microscopul tradițional cu fluorescență prin utilizarea sursei laser, dar mai ales prin prezența unei diafragme de-a lungul căii optice care permite excluderea semnalului provenit din porțiunile de deasupra și de sub focarul probei, astfel oferind o imagine pentru prima dată cu informații tridimensionale. În realitate, microscopul confocal intră în laboratoare abia la sfârșitul anilor 80, când tehnologia laser și computerizată devin relativ accesibile și suficient de puternice. În prezent, este un instrument fundamental în cercetarea științifică biomedicală.
Microscopul confocal reprezintă, pentru domeniul opticii, nu un scop tehnologic, ci un punct de plecare pentru înflorirea noilor tehnici de cercetare bazate pe tehnologia laser și utilizarea de noi markeri fluorescenți, cum ar fi microscopia TIRF (Total internal Reflection Fluorescence), Live Cell Imaging, microscopia spectrală confocală, utilizarea diferitelor tehnici de imagistică, analiza morfofuncțională inclusiv FRAP (Fluorescence Recovery After Photobleaching), FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer), FLIM (Fluorescence Lifetime Imaging), FCS (Fluorescent Correlation Spectroscopy) și, în final, utilizarea laserelor multifotonice pentru a obține o creștere semnificativă a puterii de penetrare a luminii în probă. .
microscopie STED
Primii ani ai acestui secol sunt marcați și de dezvoltarea unor noi idei ingenioase care au împins rezoluția optică dincolo de limitele impuse de natura luminii. De fapt, vorbim de super rezoluție, obținută datorită a trei abordări principale diferite: lMicroscopia STED dezvoltată de Stefan Hell (1962), Premiul Nobel pentru Chimie în 2014, microscopia cu lumină structurată care își datorează nașterea lui Mats Gustafsson (1960-2011). ), și microscopia de localizare, introdusă în laboratoarele Harvard de Xiaowei Zhuang (1972), capabilă să vizualizeze o singură moleculă cu o rezoluție de 10 ori mai mare decât microscopia optică tradițională.
Introducerea tehnicilor de super-rezoluție a condus la microscoape ușoare moderne, care, prin urmare, pot fi numite în mod rezonabil „nanoscoape”. dialog din ce în ce mai mult cu microscoapele electronice pentru o mai bună integrare a analizelor morfologice. Astăzi, microscopul este un instrument de neînlocuit în laborator și a devenit chiar simbolul cercetării științifice.
Viitorul microscopiei
Microscopul a fost, fără îndoială, una dintre cele mai mari revoluții din istoria științei, marcând nașterea microbiologiei, citologiei și biologiei celulare. Salturile uriașe pe care le-a făcut cercetarea medicală în ultimii 100-150 de ani, cu tot ce a urmat, ar fi fost de neconceput fără microscop.
Noile frontiere ale tehnologiei văd deja mariajul dintre informațiile produse de microscoape și utilizarea inteligenței artificiale. Această nouă disciplină, numită Invatare profunda, este capabil să analizeze imaginile realizate cu microscoape și poate schimba radical microscopia și poate deschide calea pentru noi descoperiri. Dar Mats Gustafsson, unul dintre părinții super rezoluției, își dăduse deja seama de toate acestea când a spus: „Odată ce un computer este adăugat între microscop și observatorul uman, întregul joc se schimbă. În acel moment, un microscop nu mai este un dispozitiv care trebuie să genereze o imagine direct interpretabilă. Acum este un dispozitiv pentru înregistrarea informațiilor.”
În acest moment, ar fi legitim să ne întrebăm cât de departe este posibil să mergem în investigarea și studiul microscopiei: lumea microscopică constituie un rezervor aproape inepuizabil de informații: materia posedă proprietăți structurale, chimice și fizice care reflectă amprenta dată de constantele fundamentale și omogenitatea legilor fizice apărute în primele momente ale Universului și variantele posibile, dintre care majoritatea sunt încă dincolo de înțelegerea noastră, constituie varietatea inimaginabilă a lumii pe care o observăm.
